[논문 리뷰] An Experimental Study on Microservices based Edge Computing Platforms

Qian Qu, Ronghua Xu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 06.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도커 컨테이너를 사용하여 엣지 컴퓨팅 플랫폼에서 마이크로서비스 배포 정책을 평가하며, CPU 집약적이고 I/O 집약적인 마이크로서비스를 동일한 컨테이너에서 함께 실행할 경우 기준 성능에 근접한 성능을 유지할 수 있음을 입증한다. 반면 메모리 집약적 워크로드는 유사한 유형 간 경쟁이 발생할 경우에만 성능 저하를 겪는다. 연구 결과, cgroups를 통한 컨테이너 리소스 제어가 간섭을 크게 감소시키며, 특히 자원이 제한된 엣지 환경에서 효과적임을 확인하였다.

ABSTRACT

The rapid technological advances in the Internet of Things (IoT) allows the blueprint of Smart Cities to become feasible by integrating heterogeneous cloud/fog/edge computing paradigms to collaboratively provide variant smart services in our cities and communities. Thanks to attractive features like fine granularity and loose coupling, the microservices architecture has been proposed to provide scalable and extensible services in large scale distributed IoT systems. Recent studies have evaluated and analyzed the performance interference between microservices based on scenarios on the cloud computing environment. However, they are not holistic for IoT applications given the restriction of the edge device like computation consumption and network capacity. This paper investigates multiple microservice deployment policies on the edge computing platform. The microservices are developed as docker containers, and comprehensive experimental results demonstrate the performance and interference of microservices running on benchmark scenarios.

연구 동기 및 목표

• 자원이 제한된 엣지 디바이스에 배포된 다수의 마이크로서비스의 성능과 간섭을 조사한다.
• 마이크로서비스를 단일 컨테이너에 함께 실행하는 것이 '하나의 컨테이너당 하나의 프로세스' 원칙을 위반하더라도 엣지 플랫폼에서 실현 가능한지 평가한다.
• 마이크로서비스 워크로드에 대해 퍼그와 엣지 컴퓨팅 환경 간 성능 간섭 패턴을 비교한다.
• 엣지 디바이스에서 성능, 자원 활용도, 시스템 유지보수성을 균형 잡는 최적의 마이크로서비스 배포 정책을 규명한다.

제안 방법

• CPU 집약적(L), 메모리 집약적(S), 디스크 I/O 집약적(B)이라는 서로 다른 리소스 프로필을 가진 마이크로서비스를 도커 컨테이너로 개발하였다.
• 네 가지 배포 정책을 설계: cgroups 유무에 따라 단일 컨테이너 배포 및 별도 컨테이너 배포.
• Raspberry Pi 기반 엣지 플랫폼에서 CPU(lmbench), 메모리(COPY), 디스크 I/O(Bonnie++) 벤치마크 워크로드를 사용해 실험을 수행하였다.
• CPU 지연, 메모리 대역폭(GB/s), 디스크 I/O 스루풋(MB/s) 등의 메트릭을 사용해 성능을 측정하였다.
• cgroups를 적용하여 자원 제한을 설정하고 제어된 실험 케이스에서 컨테이너 간 간섭을 격리하였다.
• 동일한 워크로드 하에서 네 가지 배포 구성(사례 1에서 사례 4까지) 간 성능을 비교하여 컨테이너화 및 자원 제어의 영향을 분리 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로서비스를 단일 컨테이너에 함께 실행하는 것은 '하나의 컨테이너당 하나의 프로세스' 원칙을 위반하더라도 엣지 디바이스에서 실현 가능한가?
• RQ2 다수의 마이크로서비스를 배포할 경우, 퍼그와 엣지 컴퓨팅 플랫폼 간 성능 간섭은 어떻게 다를까?
• RQ3 제한된 CPU, 메모리, I/O 용량을 가진 엣지 디바이스에서 컨테이너 통합과 자원 경쟁 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 CPU, 메모리, I/O 유형의 마이크로서비스 조합 중에서 단일 컨테이너에 함께 위치했을 때 성능 저하가 가장 적은 조합은 무엇인가?

주요 결과

• CPU 집약적(L) 및 디스크 I/O 집약적(B) 마이크로서비스를 동일한 컨테이너에 함께 실행했을 경우 기준 대비 12% 성능 저하만 발생하여, 이는 수용 가능한 공재 위치임을 시사한다.
• 메모리 집약적(S) 및 CPU 집약적(L) 마이크로서비스 조합은 단일 컨테이너 내에서 41% 성능 저하를 유발하여 가장 열악한 성능을 보였다.
• cgroups를 활성화한 별도 컨테이너 배포 사례(사례 4)는 모든 마이크로서비스 조합에서 간섭을 감소시키고 성능을 향상시켜 cgroups 미사용 사례를 능가하였다.
• 메모리 집약적 마이크로서비스는 동일한 컨테이너 내에서 다른 메모리 집약적 서비스와 경쟁하지 않는 한 최소한의 성능 영향을 받았다.
• 디스크 I/O 집약적 마이크로서비스(B+B)는 고립되어 있음에도 불구하고 자원 경쟁으로 인해 심각한 성능 저하를 겪었으며, 이는 I/O 부하가 높을 경우 높은 경쟁이 발생함을 시사한다.
• 최고의 종합 성능은 사례 4(별도 컨테이너에 cgroups 활성화)에서 달성되었으며, 마이크로서비스가 격리되고 자원이 제어되어 모든 조합에서 기준 수준에 근접한 성능을 보였다.